ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ТОПОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА

ГОРЕНИЕ МОНОДИСПЕРСНОЙ ПЫЛИ В ДВУМЕРНОМ ФАКЕЛЕ

Горение угольной пыли в камерной топке протекает в неизотерми­ческой запыленной газовой струе, распространяющейся в среде высоко­температурных топочных газов. В зависимости от способа подачи вто­ричного воздуха запыленная струя распространяется либо непосредст­венно в топочной среде, либо вместе с окружающим ее потоком вторич­ного воздуха. В этом параграфе рассматривается более простой случай горения в пылевоздушной струе, распространяющейся в топочном про­странстве при отсутствии потока вторичного воздуха, при следующих условиях и предположениях: пылевоздушная струя истекает из щелевой горелки прямоугольного сечения. Поэтому можно считать, что имеется плоскопараллельная струя, и рассматриваемую задачу свести к дву­мерной. Во избежание осложнения задачи рассмотрением процесса воспламенения и горения летучих в качестве топлива принята пыль АШ. При этом для исключения взаимного влияния частиц различных размеров рассматривается монодисперсная пыль. Температура и ско­рость пылевых частиц и газа в соответствующих точках струи совпада­ют. Химическое реагирование существенно не влияет на распределение скоростей и концентраций, и поэтому на факел можно распространить закономерности неизотермической, запыленной турбулентной струи.

Интенсивный конвективный нагрев в турбулентном пограничном слое струи подготавливает пылевоздушную смесь к воспламенению. Во всем пограничном слое струи могут протекать химические реакции, но с разной скоростью в различных ее точках, в зависимости от темпера­туры и концентраций реагирующих веществ, наличия инертной среды и интенсивности теплоотвода. Следовательно, температурные, концен­трационные и динамические условия, в которых протекает горение угольной пыли в камерной топке, создаются в турбулентных горелочных струях и определяются интенсивностью массо - и теплообмена в них и характером распространения их в топочных газах. Поэтому физические 360
условия горения в турбулентных струях определяются закономерностя­ми распределения температур, концентраций компенентов реагирующей смеси и полями скоростей.

Вследствие автомодельности течения в пограничном слое турбу­лентной неизотермической двумерной струи лучи, исходящие из обреза щелевой горелки, являются линиями равных безразмерных температур, концентраций горючего и кислорода и равных относительных скоро­стей. Поэтому расчет горения монодисперсной пыли в двумерном факеле можно свести к расчету ее вдоль этих лучей с учетом турбу­лентного тепло - и массообмена в процессе горения между лучами в по­перечном направлении к оси струи.

Для математического моделирования горения монодисперсной пыли в двумерном факеле может быть использована принятая в § 16-2 логи­ческая модель горения пылеугольной частицы.

Можно принять, что частицы сферической формы и равномерно распределены в потоке, что в условиях высоких температур, характер­ных для камерных топочных устройств, горение кокса протекает по внешней поверхности частиц, а горение продуктов неполного окисле­ния— в газовом объеме. Тогда процесс горения монодисперсной пыли в двумерной турбулентной струе вдоль лучей может быть описан сле­дующей системой уравнений.

1. Уравнение теплового баланса горения частиц.

[(£Л^,1 -)- Ягф'г) С^ ~^~~32" а,1^2^

Х|^(Г-Г,)-№}(Г-г,.) - 0,0.9 (Т> - 7Че) - ± 5РкС„ I/ = 0.

(16-22)

В уравнении первым членом выражено количество тепла, выде­ляющегося при протекании поверхностных реакций (16-4), (16-5) и (16-6); вторым — диффузионная теплопроводность потоками кислорода и углекислоты от поверхности частиц; третьим — конвективный теплооб­мен между частицами и газовой средой; четвертым — теплообмен излу­чением между частицей и облучателем; пятым — изменение энтальпии частицы.

Здесь и в дальнейшем в уравнениях (16-23), (16-26), (16-27) и (16-29) использованы обозначения величин, принятые соответственно в уравнениях (16-10), (16-14), (16-13), (16-15) и (16-16).

2. Уравнение теплового баланса газовой среды

Уравнение составлено с использованием дифференциального уравне-

Нения теплообмена в пограничном слое плоской струи, которое в рассма­триваемом случае записывается в следующем виде:

2<7 = <?т. (6-23)

В уравнении (16-23):

Е# = ‘Х,”цС^'ц ^“з2~£а1 + “з2~ а2^) 32~ а81^2^ —X

Х4г~0 - ~ л*) —тг— (Т ~ Тг) + 6 £Ц-Х*-- (1 - Гр-Лр) -±— V

^ йз°Рк 4 ' РЛм 4 г' 1 8з°?к ' Усы ^

Х(Т - Тт) + адф (5/У)ф (Г‘г - Т‘л) ^ (16-24)

Второй член уравнения (16-23) представляется выражением

П дТ, т/ дТ и п д ( Рв дТ Тг 1 /1С ос.

В уравнениях (16-24) и (16-25):

Ср — теплоемкость газа, кДж/(кг-К);

Х и у — координаты, направленные по оси струи и перпендикуляр­но к ней, м;

%т — экспериментальная постоянная;

Ив и и — скорость потока на внутренней границе и в пограничном слое струи, м/с;

Рв и рг — плотность газа на внутренней границе и в пограничном слое струи;

Т — температура газов, К.

В уравнениях (16-24) и (16-25) учтены теплота сгорания окиси угле­рода в газовом объеме, диффузионная теплопроводность за счет потоков СО и С02, конвективный теплообмен между газом и частицами, лучи­стый теплообмен между газом и облучателем, турбулентный теплообмен в струе и изменение энтальпии газов.

3. Уравнение выгорания частиц

- тг - йг Ж К2еа*+“■>с*+<16-26>

В уравнении:

СІ8 /

^—изменение диаметра частицы на единице длины луча, м/м;

И — скорость потока.

4. Уравнение изменения концентрации кислорода

Изменение концентрации кислорода можно определить из диффе­ренциального уравнения массообмена в пограничном слое струи:

.= -<£• (16-27)

В уравнении (16-27):

Е9о_ = (««, + аг) С^-^- (1 - Гр - А") (16-288)

•'г гк о у см

П дС. тг дС и тт д ( ?в дС ри —4-рУ“л--- хори -д— х—

Г ох 1 г ду т «в в ду у р ду

В уравнениях (16-28) и (16-29) и соответственно в уравнении (16-27) учтен расход кислорода на образование СО и С02 в первичных реакциях, на горение СО в объеме, а также перенос его за счет турбу­лентного массообмена в струе.

В уравнениях

ДС

^------ изменение концентрации кислорода на единице длины лу­

Ча, кг/м3;

Ь — ширина пограничного слоя, м.

5. Уравнение изменения концентрации углекис­лого газа

Изменение концентрации углекислого газа соответственно опреде­ляется из дифференциального уравнения переноса в пограничном слое струи:

В уравнении учтено образование СО2 при первичном реагировании углерода с кислородом при горении СО в объеме, расход СО2 в вос­становительной реакции, а также перенос С02 в процессе турбулентного обмена в струе.

Система уравнений (16-22), (16-23), (16-26), (16-27) и (16-29)

Должна быть решена для заданных значений размера и температуры частиц и определяемых расчетом начальных величинах температуры газовой среды и концентраций кислорода и углекислоты в струе на вы­деленных лучах.

Начальные температуры газовой 'среды на выделенных лучах опре­деляются по заимствованной из [Л. 15] формуле:

(16-31)

В формулах индексами «к», «н» и «в» соответственно выделены зна­чения начальной концентрации кислорода и углекислоты и температуры на лучах, концентрации этих газов и температуры на наружной и внут­ренней границах; т] — безразмерная поперечная координата, изменяю­щаяся от наружной до внутренней границы в пределах от 0 до 1.

14- 5. ГОРЕНИЕ УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ В ФАКЕЛЕ

В факеле полидисперсной пыли одновременно происходит горение частиц, которые по размеру отличаются между собой на один-два и даже три порядка. В результате перемешивания в потоке в макрообъе­мах температура и состав газовой среды выравниваются и в ходе реа­гирования изменяются, оставаясь одинаковыми для частиц различных фракций. Однако из-за различной интенсивности тепло - и массообмена концентрация газовых реагентов у поверхности частиц различных раз­меров и их температуры при горении будут существенно отличаться. Это отражается на продолжительности нагрева частиц, па выходе ле­тучих из фракций различных размеров, на режиме и удельной скорости их горения. Кроме того, частицы разных размеров в различной степени охвачены внутренним реагированием.

В процессе нагрева и реагирования частиц летучие, содержащиеся в топливе, выделяются и переходят в газовую среду, пылевые частицы находятся в состоянии конвективного теплообмена с газовой средой, а система — в состоянии теплообмена излучением от реагирующей сме­си с окружающей средой газового объема и ограничивающими поверх­ностями.

В различных исследованиях горения угольной пыли в факеле поли - дисперсность учитывалась в основном двумя методами. Первый метод, примененный В. Гумцем и X. Хоттелем, А. Б. Резняковым, В. В. Поме­ранцевым. С. Л. Шагаловой, К - М. Арефьевым, А. П. Баскаковым и др., основан на введении суммарных характеристик полидисперсности пыли в основные уравнения выгорания топлива.

Вторым методом, применяемым в исследованиях МЭИ, полифрак­ционность учитывается разделением угольной пыли на несколько фрак­ций. В каждой из этих фракций размер частиц усредняется так, чтобы определенная по его величине поверхность равнялась суммарной по­верхности пыли рассматриваемой фракции. Затем производится расчет параллельного выгорания частиц различных фракций.

В ряде работ, в которых использовалось распределение угольных частиц по закону Розина — Рамлера, даже при принятых существенно упрощающих допущениях (изотермические условия, протекание реакций в кинетической или диффузионной области, по составу продуктов сго­рания), аналитическое решение полученных зависимостей не представ­лялось возможным или получалось громоздким.

В цкти создана методика расчета выгорания однородного по сече­нию полифракционного прямоточного факела, которая нашла опреде­ленное практическое применение [Л. 52]. Авторы В. В. Померанцев,

С. Л. Шагалова, Б. Д. Кацнельсон и К - М. Арефьев исходили из пред­положения, что б любой момент времени частицы всех размеров сгора­ют при одинаковой концентрации кислорода у поверхности при некото­рой средней температуре факела в одинаковой области реагирования. Средняя температура факела определялась из уравнения выгорания факела, записанного для кинетической или диффузионной области.

Результаты расчетов приводятся в виде номограмм, по которым можно определить время выгорания полифракционного факела при за­данном механическом недожоге или величину недожога при заданном времени сгорания. Авторами показано, что увеличение степени поли­дисперсности любых твердых топлив приводит к значительному сниже­нию механического недожога.

ВТИ выполнено математическое моделирование воспламенения и первичного выгорания полидисперсной пыли в турбулентных струях.

Далее в настоящей главе использован второй метод — расчет па­раллельного выгорания частиц различных фракций.